鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、斷裂韌性高等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等行業(yè)。各種鋁合金的強(qiáng)度和耐熱性之間存在權(quán)衡。Al-Cu基、Al-Zn-Mg-Cu基等高強(qiáng)鋁合金和Al-Mg-Si基等中強(qiáng)鋁合金中高數(shù)量密度的納米析出相在中高溫服役過程中會(huì)迅速粗化，導(dǎo)致合金強(qiáng)度惡化。另一方面，Al-Mn基、Al-Si基合金、Al-Mg₂Si金屬基復(fù)合材料等高耐熱鋁合金中含有亞微米至微米級(jí)彌散相作為主要強(qiáng)化相，導(dǎo)致其強(qiáng)度較低。此外，以Al₃( Sc、Zr)納米析出相為強(qiáng)化相的Al-Sc-Zr基合金具有良好的熱穩(wěn)定性，但由于Al₃( Sc、Zr)析出相體積分?jǐn)?shù)較小，其屈服強(qiáng)度低于Al - Cu基合金等其他析出強(qiáng)化合金。

微合金元素促進(jìn)晶界或析出相/基體界面的溶質(zhì)偏析可有效提高合金的強(qiáng)度和/或耐熱性。在對(duì)Al-Cu基合金的大量研究中發(fā)現(xiàn)，Sc在Al-Cu-Sc合金人工時(shí)效過程中優(yōu)先偏聚于θ′/ Al界面，提高了θ′-Al₂Cu析出相的熱穩(wěn)定性。此外，在Al-Cu合金中還發(fā)現(xiàn)Ag在這些析出相-基體界面處偏聚。Rosalie和Bourgeois的研究顯示，在高銀含量的Al-Cu-Ag合金中，θ′/ Al的共格界面，即(001)_θ′/ / (001)_Al被含有雙Ag原子層的規(guī)則界面結(jié)構(gòu)所修飾，能夠阻礙θ′析出相的橫向生長。此外，在高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg合金中添加微量Ag會(huì)促進(jìn)Ω相的析出，其特征為θ基結(jié)構(gòu)和與Al基體界面處的AgMg偏析層。Hutchinson等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱暴露溫度低于200 ℃時(shí)，AgMg偏聚層能夠阻礙溶質(zhì)擴(kuò)散導(dǎo)致的析出相粗化，從而提高合金的熱穩(wěn)定性。但當(dāng)熱暴露溫度高于200℃時(shí)，Ω / Al界面更容易形成高度為1 / 2 Ω晶胞的枝晶，這會(huì)增加Ω相的增厚動(dòng)力學(xué)。即在析出相/基體界面處這種單一的偏析結(jié)構(gòu)仍然不能有效阻礙析出相的粗化。

多種耐熱組織的共沉淀，尤其是沉淀相/基體界面的多種類型耐熱析出相和偏析組織，是研究者追求鋁合金強(qiáng)度和耐熱性能同時(shí)提高的愿望。馬里瓦拉等報(bào)道通過合理控制Mg、Si、Cu的含量，形成細(xì)小的板條狀、含Cu的無序L相，可以提高6xxx合金的熱穩(wěn)定性。因此，無序L相可以作為耐熱析出相添加到Al - Cu基合金中，提高Al - Cu基合金的耐熱性能。Gable等人和加里博爾迪等人的工作表明，在Al-Cu-Mg-Ag合金中添加Si可以促進(jìn)θ′- Al₂Cu的形核和Mg、Ag溶質(zhì)在θ′/ Al界面的偏聚，同時(shí)抑制Ω相的析出。此外，Si還可以促進(jìn)C-AlMg₄Si₃Cu相和/或L相( C相的無序形態(tài))的形成，它們可以作為優(yōu)先形核位置促進(jìn)θ′- Al₂Cu的異質(zhì)形核。同時(shí)，C-AlMg₄Si₃Cu相也可以作為界面相偏聚在θ′/ Al界面，從而進(jìn)一步提高Al-Cu-Mg-Ag-Si合金的耐熱性和強(qiáng)度。Al-Cu-Mg-Si-Ag-Sc合金中多種耐熱結(jié)構(gòu)共沉淀的難點(diǎn)在于以下2個(gè)方面：( 1 )尋找合適的Sc添加量，避免形成消耗Cu溶質(zhì)的AlCuSc金屬間化合物；( 2 )設(shè)計(jì)Mg、Si和Ag的精確濃度，使Ω沉淀轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>θ′和C / L相，促進(jìn)θ′/ Al界面形成C / L相和AgMg層等多重結(jié)構(gòu)。

中南大學(xué)杜勇教授團(tuán)隊(duì)在PHAse Diagrams (相圖計(jì)算技術(shù))計(jì)算指導(dǎo)下，通過多種耐熱結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)在中高溫范圍內(nèi)同時(shí)提供鋁合金高強(qiáng)度和耐熱性的合金設(shè)計(jì)策略。相關(guān)研究成果以題“Synergy of multiple precipitate/matrix interface structures for a heat resistant high-strength Al alloy”發(fā)表在Nature Communications上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38730-z

圖1為當(dāng)前Al-4Cu-0.315Mg-0.5Ag-0.21Si-0.09Sc合金的力學(xué)性能和析出相尺寸穩(wěn)定性。不同鋁合金在不同溫度下熱暴露100 h的屈服強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度上標(biāo)*)和相應(yīng)的強(qiáng)度保持率，更多細(xì)節(jié)可以在附表1中找到。b，c用于測(cè)量當(dāng)前合金峰值時(shí)效狀態(tài)下θ′- Al₂Cu析出相直徑和厚度的典型圖像。d，e為熱暴露后狀態(tài)的典型圖像。f，g分別為峰值時(shí)效和熱暴露狀態(tài)下當(dāng)前合金的厚度和直徑分布。

圖2：峰值時(shí)效下當(dāng)前合金的多種類型析出相和界面結(jié)構(gòu)。a低倍HAADF - STEM圖像。b上、下θ′/ Al界面均出現(xiàn)單個(gè)θ′- Al₂Cu，c AgMg界面相。d θ′- Al₂Cu與C界面相在共格界面處。e θ′- Al₂Cu與L相在半共格界面處。f獨(dú)立析出L。C相的晶胞結(jié)構(gòu)和QSTEM模擬的HAADF - STEM圖像已插入( d )中。插入圖像中的強(qiáng)度線輪廓顯示了不同界面層中Cu柱的強(qiáng)度變化。g，h通過APT檢測(cè)到θ′/ Al界面處存在多個(gè)界面相和偏析層。

圖3為新發(fā)現(xiàn)的χ - Ag Mg界面相的結(jié)構(gòu)，a ~ c，d分別為χ - Ag Mg相沿[100] Al和[110] Al方向的原子分辨HAADF - STEM像，b為( a )的放大像，( a )所示區(qū)域的e - h原子分辨EDX元素圖。在( b )和( c )中插入了χ - AgMg相中間層( L2 )的強(qiáng)度線剖面。i沿白色箭頭的χ - AgMg相中Mg的濃度線剖面，積分寬度為7nm。j與χ - AgMg相的θ′/ Al界面結(jié)構(gòu)的三維模型。值得注意的是，對(duì)于( a , b) ( j )，[100] ( c )和[110] ( d )，觀察方向與超級(jí)單體的[010]方向平行。在( a )、( b )、( c )中插入利用所構(gòu)建模型沿不同方向進(jìn)行QSTEM模擬的HAADF - STEM圖像。( f )中用白色虛圓標(biāo)記的原子列與( a )中用白色虛圓標(biāo)記的原子列相對(duì)應(yīng)。

圖4：210 ℃熱暴露100 h后析出相的HAADF - STEM圖像和EDX結(jié)果。a θ′- Al₂Cu的HAADF - STEM圖像。b θ′/ Al界面處的C界面相。c獨(dú)立析出的L相。d低放大和原子分辨率的ξ相HAADF - STEM圖像。e (d) . f EDX元素圖中ξ相對(duì)應(yīng)的原子分辨率HAADF - STEM圖像的FFT圖案。在(d)中插入了ξ相的晶胞和QSTEM模擬的沿(011) ξ的HAADF - STEM像。(d)中插入的強(qiáng)度線輪廓顯示了從A1到A2的強(qiáng)度變化。

圖5為析出相的APT結(jié)果和計(jì)算得到的驅(qū)動(dòng)力，a為當(dāng)前合金欠時(shí)效狀態(tài)(在175 ℃保溫1 h)的APT結(jié)果，b、c為析出相沿藍(lán)色箭頭的濃度分布，d為時(shí)效溫度為175 ℃時(shí)平衡Q-AlMgSiCu和θ-Al₂Cu的驅(qū)動(dòng)力。

圖6為不同界面結(jié)構(gòu)的形成能。模型1為χ-AgMg相單獨(dú)存在于Al中的組織，模型2和模型3分別為χ-AgMg相存在于Cu終止和Al終止的θ′/ Al界面中的組織。模型4和5分別表示不含Cu間隙原子和含Cu間隙原子的θ′/ Al界面結(jié)構(gòu)。模型6為θ′/ Al界面存在C相的結(jié)構(gòu)。

圖7為1073 K下不同界面相的AIMD計(jì)算結(jié)果。a為χ-AgMg界面相的AIMD計(jì)算結(jié)果。b為C-AlMgSiCu界面相的AIMD計(jì)算結(jié)果。穿過層的Ag和Al原子分別用紅色和紫色標(biāo)記。

綜上所述，在Al-Cu-Mg-Ag-Si-Sc合金中獲得了包含C界面相、富Sc偏析層、θ′相共格界面處新發(fā)現(xiàn)的χ-AgMg界面相、半共格界面處的L相以及獨(dú)立析出的L相的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。這些界面結(jié)構(gòu)有效地延緩了θ′的粗化。因此，合金的強(qiáng)度和耐熱性能同時(shí)得到提高。此外，由于目前的合金是通過傳統(tǒng)的加工技術(shù)制備的，因此在工業(yè)應(yīng)用方面表現(xiàn)出巨大的潛力。同時(shí)，這種在析出相/基體界面共偏聚/析出的設(shè)計(jì)理念，通過CALPHAD方法合理控制各元素含量，可為其他耐熱材料的設(shè)計(jì)提供參考。